HALAMAN JUDUL IN
TUGAS AKHIR - TM091486
RANCANG BANGUN DAN UJI PERFORMA AXIAL BRUSHLESS DC MOTOR DENGAN DAYA OUTPUT 2000 WATT
AGUS NURTRIARTONO 2109100076
Dosen Pembimbing
Dr. Muhammad Nur Yuniarto, ST
PROGRAM STUDI SARJANA JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
HALAMAN JUDUL IN
TUGAS AKHIR - TM091486
DESIGN AND PERFORMANCE TEST AXIAL BRUSHLESS DC MOTOR WITH OUTPUT POWER 2000 WATT
AGUS NURTRIARTONO 2109100076
Faculty Advisor
Dr. Muhammad Nur Yuniarto, ST
DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY
iii
Rancang Bangun dan Uji Performa
Axial BLDC Motor
dengan Daya
Output 2000 Watt
NamaMahasiswa : Agus Nurtriatono NRP : 2109 100 076
Jurusan : TeknikMesin FTI-ITS
DosenPembimbing : Dr. Muhammad NurYuniarto
ABSTRAK
Sejak tahun 1980-an konsep baru tentang permanent magnet brushless
motor telah berkembang. Isu pemanasan global dan penghematan Bahan Bakar
Minyak (BBM) merupakan faktor pemicu berkembangnya motor listrik. Motor DC konvensional sudah dikenal efisien dan bebas polusi,namun diperlukan pengembangan maupun perancangan motor listrik baru untuk mendapatkan performa motor listrik yang lebih baik.
Berkembangnya motor listrik dc konvensional yang menggunakan transmisi mekanik yang berupa sikat (brush) terbuat dari arang (carbon) yang memerlukan pergantian berkala untuk umur pemakaian tertentu. Kekurangan itu diatasi oleh Brushless DC motor yang beroperasi tanpa transmisi mekanik.
Brushless DC motor adalah motor dengan magnet permanen dimana fungsi sikat
(brush) digantikan oleh sensor yang berfungsi sebagai penentu orientasi
bergeraknya motor listrik. Brushless DC motor tidak hanya memiliki efisiensi yang tinggi namun tidak membutuhkan perawatan. Brushless DC motor terdapat 2 tipe yaitu, Brushless DC motor tipe radial dan Brushless DC motor tipe axial. Namun
Brushless DC motor tipe radial memiliki kekurangan. Radial Brushless DC motor
memiliki berat yang lebih berat dibanding Axial brushless DC motor dengan daya yang sama dan dengan bentuk radial akan lebih berat jika di paralel untuk menghasilkan daya yang besar. Dari kekurangan Brushless DC motor tipe radial diatas, dirancang Axial brushless DC motor.
Tugas akhir ini menghasilkan Axial Brushless DC Motor dengan konstruksi satu stator dan dua rotor. Axial Brushless DC Motor ini terdiri dari 24 slot stator dan 20 pole magnet pada tiap rotornya. Pada uji performa Axial Brushless DC
Motor ini didapatkan effisiensi maksimal sebesar 95%, power output rated sebesar
1100 watt, dan torsi rated sebesar 3,8 Nm pada rpm 2790 dengan menggunakan controller IQUTECHE.
iii
Design and Test Performance of Axial BLDC Motor with Power Output 2000 Watt
Name : Agus Nurtriatono NRP : 2109 100 076
Department : TeknikMesin FTI-ITS Faculty Advisor : Dr.M.NurYuniarto
ABSTRAK
Since the 1980s a new concept of permanent magnet brushless motors has evolved. The issue of global warming and saving fuel oil is a trigger factor development of electric motors. Conventional DC motors are well known efficient and pollution-free, but required the development and design of new electric motors for performance electric motor better.
The development of a conventional dc electric motor that uses a mechanical transmission in the form of a brush from carbon which require periodic replacement for a certain service life. Shortcomings were overcome by a Brushless DC motors that operate without mechanical transmission. Brushless DC motors are motors with permanent magnet in which the function of the brush is replaced by a sensor that functions as a determinant of the orientation of the movement of the electric motor. Brushless DC motors not only have a high efficiency but does not require treatment. Brushless DC motors are two types, namely, Brushless DC motors radial and axial type Brushless DC motors. However Brushless DC motors radial type has its drawbacks. Radial Brushless DC motors have a heavier weight than the Axial brushless DC motors with the same power and the radial shape will be more severe if in parallel to generate great power. Brushless DC motors of deficiency above the radial type, designed Axial brushless DC motors.
This final project resulted in Brushless DC Motor with Axial construction of the stator and the two rotors. Axial Brushless DC Motor is comprised of 24 slots and 20 pole stator magnets on each rotor. In the test performance Brushless DC Motor Axial is obtained maximum efficiency of 95%, the rated power output is 1100 watts, and the rated torque is 3.8 Nm at 2790 rpm using a controller IQUTECHE.
iii
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas anugerah, berkah dan hidayah-Nya laporan Tugas Akhir yang berjudul “Rancang Bangun dan Uji Performa Axial BLDC
Motor dengan Daya Output 2000 Watt” ini dapat diselesaikan.
Dalam kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada:
1. Bapak Dr. Muhammad Nur Yuniarto selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan serta pelajaran selama pembuatan dan penyelesaian mobil juga selama perlombaan berlangsung.
2. Orangtua serta seluruh keluarga yang telah banyak memberikan dukungan moral. 3. Seluruh tim ITS Solar Car Racing Team dan tim Molina ITS yang telah banyak
membantu dalam pembuatan Tugas Akhir ini.
4. Octavia Setya yang telah memberi dukungan dan semangat dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih belum sempurna, baik dari analisis yang penulis lakukan maupun dalam penulisan laporan. Semoga laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya.
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PENGESAHAN ... ii
ABSTRAK ... iii
KATA PENGANTAR ... v
DAFTAR ISI... vi
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 RumusanMasalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Tujuan Masalah ... 3
1.5 Manfaat Penelitian ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pendahuluan ... 5
2.2 Konstruksi Motor DC Brushless ... 6
2.3 Bagian-Bagian Brushless DC Motor ... 9
2.3.1 Stator ... 9
2.3.2 Rotor ... 12
2.3.3 Core ... 13
2.3.4 Hall Sensor ... 15
2.3.5 Phase Commutation ... 16
2.4 Prinsip Kerja Rangkaian Kontrol Motor DC Brushless 3 Fasa ... 17
2.5 Penelitian sebelumnya ... 20
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Umum ... 22
3.2. Peralatan Penelitian ... 25
3.3 Perancangan Axial Brushless DC Motor ... 25
3.3.1 Basic Study Literature ... 25
3.3.2 Motor Design ... 26
3.3.2.1 Mechanical Design ... 26
3.4. Pengujian Efisiensi Axial Flux Brushless
DC Motor ... 31
3.4.1 Pengujian Unjuk Kerja Mesin ... 31
3.5 Analisa dan Kesimpulan ... 34
BAB IV RANCANG BANGUN DAN ANALISA DATA UNJUK KERJA AXIAL BRUSHLESS DIRECT CURENT (DC) MOTOR 4.1. Penentuan Spesifikasi Motor ... 35
4.1.1 Perhitungan Kebutuhan Arus ... 36
4.1.2 Inisialisasi Awal Dimensi motor ... 38
4.2 Proses Pembuatan Motor ... 39
4.2.1 Proses Desain ... 39
4.2.2 Pembuatan stator ... 41
4.2.3 Pembuatan rotor ... 47
4.2.3 Pembuatan rotor ... 48
4.3 Perhitungan Unjuk Kerja Axial Brushless DC Motor ... 49
4.3.1 Data Unjuk Kerja Axial Brushless DC Motor ... 49
4.3.2 Perhitungan Unjuk Kerja Axial Bushless DC Motor ... 51
4.4 Analisa Unjuk Kerja Axial Brushless DC Motor ... 55
4.4.1.Analisa Daya ... 55
4.4.1.1.Analisa Daya konsumsi Input ... 55
4.4.1.2.Analisa Daya Output Efektif Motor Listrik ... 57
4.4.2 Analisa Torsi ... 59
4.4.3 Efisiensi Motor Listrik ... 61
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 63
5.2 Saran ... 66
xi
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Motor Brushless DC ... 2
Gambar 2.1 Klasifikasi dan Jenis Motor Listrik ... 5
Gambar 2.2 Konstruksi Silindris (a) Outside Rotor (b) Inside Rotor ... 6
Gambar 2.3 Konstruksi Axial Flux PM Motor: (a) Stator dan Rotor Tunggal dan (b) Stator dan Rotor Ganda ... 7
Gambar 2.4 The axial flux motor design ... 8
Gambar 2.5 Konfigurasi Listrik Stator (Tiga Tahap, Tiga Kumparan) ... 9
Gambar 2.6 Rotor Motor Listrik Axial ... 12
Gambar 2.7 Magnet Neodymium Trapesium ... 13
Gambar 2.8 core pada Axial BLDC Motor ... 14
Gambar 2.9 Grafik Hysteresis core ... 15
Gambar 2.10 Sensor Hall Sensor ... 16
Gambar 2.11 Logic Sederhana Komutasi pada 3 Phase ... 16
Gambar 2.12 Rangkaian Kontrol Sederhana Komutasi pada 3 Phase ... 17
Gambar 2.13 Posisi Urutan Gerak Motor DC Brushless 3 Fase ... 18
Gambar 2.14 Stator danRotor Axial coreless Brushless yang diassembly... 21
Gambar 3.1 Flowchart Perancangan, pembuatan dan pengujian Axial Brushless DC Motor…………... 24
Gambar 3.2 Gambar Perancangan dan Ukuran dasar Axial BLDC Motor ... 28
Gambar 3.3 Gambar Perancangan dan Ukuran dasar stator Axial BLDC Motor ... 29
ix
Gambar 3.5 Skema Pengujian……… 32 Gambar 4.1.Penampang Axial Flux Permanent
Magnet Brushless DC Motor ... 38 Gambar 4.2 Gambar Desain Axial Brushless
DC Motor ... 40 Gambar 4.3 Gambar Part Bagian Stator Motor ... 40 Gambar 4.4 Gambar Part Casing dan Pattern
Magnet Rotor ... 41 Gambar 4.5 Grafik pengaruh kadar resin pada
core terhadap kuat medan magnet ... 43 Gambar 4.6 Alat Untuk Menggulung Kumparan
danKumparan dengan Armature ... 46 Gambar 4.7 Stator Axial Brushless DC Motor dan Kumparan ... 47 Gambar 4.8 phase commutation dengan picoscope dan Axial Brushless DC Motor ... 48 Gambar 4.9 Grafik efisiensi generator ... 53 Gambar 4.10 generator STC-3 ... 53 Gambar 4.11 Grafik hubungan antara power input terhadap rpm motor pada controller Mitsuba dan ... controller Iquteche. ... 56 Gambar 4.12 Grafik hubungan antara power output terhadap rpm motor pada controller Mitsuba dan controller Iquteche. ... 58
Gambar 4.13 Grafik hubungan antara torsi terhadap rpm motor pada controller Mitsuba dan
controller Iquteche. ... 60 Gambar 4.14 Grafik hubungan antara efisiensi terhadap rpm pada controller Mitsuba dan
x
BIODATA PENULIS
Agus Nurtriartono dilahirkan di Balikapapan, 14 Agustur 1991. Anak ketiga dari Djamil dan Sutini. Penulis menyelesaikan masa studi sekolah dasar di SDN 008 Balikpapan pada tahun 2003, dilanjutkan ke SMP YASPORBI 2 Jakarta pada tahun 2006 dan SMAN 28 Jakarta lulus pada tahun 2009.
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang Masalah
Sejak tahun 1980-an konsep baru tentang permanent magnet brushless motor telah berkembang. Isu pemanasan global dan penghematan Bahan Bakar Minyak (BBM) merupakan faktor pemicu berkembangnya motor listrik. Berkembangnya motor listrik dc konvensional yang menggunakan transmisi mekanik yang berupa sikat (brushed) terbuat dari arang (carbon) yang memerlukan pergantian berkala untuk umur pemakaian tertentu. Kekurangan itu diatasi oleh Brushless DC motor yang beroperasi tanpa transmisi mekanik (Gambar 1.1). Brushless DC motor adalah motor dengan magnet permanen dimana fungsi sikat (brush) digantikan oleh sensor yang berfungsi sebagai penentu orientasi bergeraknya motor listrik. Brushless DC motor tidak hanya memiliki efisiensi yang tinggi namun tidak membutuhkan perawatan.
Gambar 1.1 Motor Brushless DC
(www.electricbike.com)
Brushless DC motor terdapat 2 tipe yaitu, Brushless DC motor tipe radial
dan Brushless DC motor tipe axial. Namun Brushless DC motor tipe radial
memiliki kekurangan. Radial Brushless DC motor memiliki berat yang lebih berat dibanding Axial brushless DC motor dengan daya yang sama dan dengan bentuk radial akan lebih berat jika di paralel untuk menghasilkan daya yang besar. Dari kekurangan Brushless DC motor tipe radial diatas, dirancang Axial brushless DC
motor. Salah satu progam pengembangan Axial Brushless DC motor untuk
2 1.2Perumusan Masalah
Tugas akhir ini berfokus pada mendesain Axial Brushless DC motor. Rumusan masalah dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana mendesain Axial Brushless DC motor dengan daya output 2000 Watt dan efesiensi 90%?
1.3Batasan Masalah
Agar tugas akhir ini sesuai dengan tujuan penelitian maka diperlukan batasan-batasan masalah sebagai berikut :
1. Perancangan Axial Brushless DC Motor dengan daya output 2000 watt dengan permanen magnet
1.4Tujuan Permasalahan
1. Mendesain,membuat, dan menguji motor Axial Brushless DC Motor dengan daya output 2000 Watt dan efesiensi 90%.
1.5. Manfaat Penulisan
Diharapkan dari hasil penelitian dan perancangan Axial Brushless DC Motor ini adalah:
1.
Memberikan informasi kepada masyarakat luas terkait tentang Axial Brushless DC Motor.2.
Mampu meningkatkan potensi dari Axial Brushless DC Motor dibandingkanBrushless DC Motor konvensional yang umumya berstruktur radial.
3.
Sebagai acuan dari penelitian yang lebih lanjut.1
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pendahuluan
Motor listrik memiliki jenis yang bervariasi dalam perkembangannya. Secara garis besar motor listrik dibagi menjadi dua yaitu motor listrik dengan sumber daya arus AC dan sumber daya arus DC.
Gambar 2.1 Klasifikasi dan Jenis Motor Listrik (www.il5.p.lodz.pl)
Motor listrik jenis AC menggunakan prinsip induksi pada langkah kerjanya, memiliki masalah pada saat starting. Berbeda halnya dengan motor DC, perkembangan motor DC diawali oleh Brushed DC motor.
Brushed Motor DC yang menggunakan sikat untuk mengalirkan arus ke rotor
seringkali menimbulkan masalah yaitu ausnya ‘sikat’. Maka dikembangkan motor listrik DC tanpa sikat atau Brushless DC Motor yang mempunyai kelebihan yaitu efisiensi tinggi, umur yang panjang, konsumsi energi yang kecil.
2.2 Konstruksi Motor DC Brushless
Bentuk konstruksi yang umum pada Brushless DC motor ada dua buah yaitu silindris untuk radial Brushless DC motor seperti pada gambar 2.2 atau pancake seperti pada gambar 2.3 adalah axial flux permanent magnetic brushless DC motor.
2 Gambar 2.3 Konstruksi Axial Flux PM Motor: (a) Stator dan
Rotor Tunggal (b) Stator dan Rotor Ganda
Axial flux brushless DC motor memiliki medan magnetik axial searah sumbu
putarnya. Motor jenis pancake dengan dua buah rotor (gambar 2.3 b). Sedangkan ada yang satu stator dan satu rotor (gambar 2.3 a).
Karakteristik dan keistimewaan dari desain axial flux BLDC antara lain:
• Dengan power yang sama axial flux BLDC memiliki berat yang lebih ringan dibandingkan dengan yang radial BLDC.
• fluks magnet yang dihasilkan memiliki arah aksial terhadap sumbu mesin sehingga gaya yang diterima bantalan motor lebih minim sehingga lifetime bantalan lebih panjang.
• Dengan sistem join paralel seharusnya sanggup menghasilkan daya yang besar dengan dimensi motor yang lebih kecil.
• Field medan magnet lebih besar sehingga torsi yang dihasilkan lebih besar dibanding motor dc yang lain dengan daya yang sama.
3 Pada lomba internasional seperti World Solar Challenge di Australia disuatu kondisi mobil membutuhkan power dan torsi yang cukup besar untuk menggerakan mobil sapu angin surya, pada sisi inilah penggunaan axial flux brushless motor DC sangat tepat untuk mendapatkan power dan torsi yang cukup besar.
2.3 Bagian-Bagian Brushless DC Motor
Brushless DC motor pada umumnya memiliki bagian-bagian utama pada
konstruksinya antara lain : 2.3.1 Stator
Stator Brushless DC motor tiga fasa pada dasarnya memiliki tiga gulungan. Kebanyakan Brushless DC motor jumlah kumparan direplikasi untuk memenuhi karakteristik dari torsi yang akan di hasilkan. Gambar 2.4 menunjukkan skema listrik dari stator. Ini terdiri dari tiga kumparan masing-masing ada tiga unsur terhubung seri yaitu induktansi, resistansi dan satu gaya gerak listrik kembali.
Gambar 2.5 Konfigurasi Listrik Stator (Tiga Tahap, Tiga Kumparan)
(www.muhammadluthfil23.blogspot.com)
Jumlah lilitan dapat dihitung berdasarkan berapa kuat medan magnet yang akan dihasilkan oleh armature core. Dengan menentukan target torsi akan mendapatkan informasi untuk menghitung kuat medan magnet yang harus dihasilkan oleh armature core. Setelah mendapatkan kuat medan magnet maka dapat dihitung jumalah lilitan minimum. Seperti persamaan di bawah
T = F x r F = T/r Dimana
T= Torsi target (Nm)
F = Gaya pada saat torsi target (gaya tolak menolak medan magnet) (N) r = Jari-jari (m)
Selanjutnya menghitung gaya tolak menolak pada setiap slot stator saat motor berputar. Pada saat motor berputar slot yang aktif sebanyak 16 slot maka gaya tolak menolak tiap slot dapat dihitung
4 Setelah mengetahui gaya tolak menolak pada tiap slot kita dapat menghitung kuat kutub medan magnet pada tiap slot dengan menggunakan persamaan gaya tolak menolak medan magnet
F = (k.m1.m2)/r² m1 = (F.r²)/k.m2 Dimana
F = Gaya tolak menolak pada tiap slot (N) k = Konstanta
m1 = Kuat kutub medan magnet pada stator m2 = Kuat kutub medan magnet pada magnet r = Jarak antara stator dan magnet (m)
dari persamaan di atas maka kita akan mendapatkan m1, setelah itu kita dapat menghitung gaya lorentz dengan persamaan di bawah ini
F = H.m Dimana
H = Kuat medan magnet saat I maksimum (T) F = gaya Lorentz yang dihasilkan (N)
m = kuat kutub medan magnet pada stator
dari gaya lorentz diatas, kuat medan magnet yang harus dihasilkan oleh tiap slot stator dengan persamaan dibawah ini
F = B I l
setelah kuat medan magnet didapat maka kita dapat menghitung jumlah lilitan minimum dengan persamaan
a = jari-jari lilitan N = jumlah lilitan
2.3.2 Rotor
5 Gambar 2.6 Rotor Motor Listrik Axial
(endless-sphere.com)
Magnet yang digunakan pada axial Brushless DC motor ini yaitu jenis neodymium (gambar 2.7). Neodymium Magnet merupakan magnet tetap yang paling kuat Magnet neodymium (juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo),merupakan sejenis magnet langka-bumi, terbuat dari campuran logam neodymium, besi, dan boron yang membentuk struktur kristal Nd2Fe14B tetragonal.
Gambar 2.7 Magnet Neodymium Trapesium (www.hissuplier.com)
2.3.3 Core
Core pada motor listrik dc axial berfungsi sebagai penghasil fluks maksimum
(gambar 2.8). Core merupakan sebagai media untuk menghasilkan gaya ferromagnetic yang biasanya menggunakan bahan besi lunak.Besi lunak banyak digunakan sebagai inti
(core) dari induktor yang disebut ferit. Ada bermacam-macam bahan ferit yang disebut
ferromagnetik. Besi lunak memiliki sifat magnet-magnet elementer yang mudah diatur,
tetapi juga lebih mudah berubah susunannya. Itulah sebabnya besi sangat mudah dijadikan
magnet, akan tetapi juga sangat mudah kehilangan sifat magnetnya Jadi kemagnetan besi
bersifat sementara. Core armature dibuat dari serbuk besi murni dengan kadar Fe 99%
6 serbuk besi dan resin ini menggunakan kadar resin sebesar 14% dari total berat campuran
serbuk besi dan resin.
Gambar 2.8 Core pada Axial BLDC Motor (www.endless-sphere.com)
Gambar 2.9 Grafik Hysteresis (http://mulyonoabdullah.wordpress.com)
2.3.4 Hall Sensor
Untuk menentukan orientasi posisi rotor fungsi komutasi dilakukan oleh sensor, sensor yang digunakan bisa beragam. Misalkan optical encoder, magnetic encoder atau
hall effect magnetic sensor.Motor DC brushless dilengkapi dengan tiga sensor hall effect
magnetic yang ditempatkan dengan posisi tertentu, sebagaimana pada gambar 2.10. hall
7 Gambar 2.10 Sensor Hall Sensor.
(www.goedn.com)
Gambar 2.11 Logic Sederhana Komutasi pada 3 Phase.
(www.instructables.com)
2.3.5 Phase Commutation
Rangkaian kontrol pada motor DC brushless selain sebagai pengontrol perpindahan arus juga sebagai pengarah rotasi rotor. Oleh karena itu, kontroller membutuhkan beberapa cara untuk menentukan orientasi rotor. Beberapa kontroler menggunakan rancangan efek hall sensor danrotary encoder untuk menentukan posisi rotor. Kontroler motor listrik 3 fase berisi 3 fase bi-directional output, fase U,V, danW. Untuk mendorong daya motor listrik DC ketingkat yang lebih tinggi (meningkatkan kecepatan putarannya), dengan menggunakan rangkaian logika. kontroler sederhana menggunakan pembanding untuk menentukan kapan fase output harus maju, sementara kontroler modern menggunakan mikrokontroler dengan logika tertentu, decoder akan mengatur switching transistor sehingga mendapatkan pola yang tepat pada tiap fase untuk mengelola akselerasi, kontrol kecepatan dan menyempurnakan efisiensi.
Gambar 2.12 Rangkaian Kontrol Sederhana Komutasi pada 3 Phase.
8 2.4 Prinsip Kerja Rangkaian Kontrol Motor DC Brushless Tiga Fasa
9 Gambar 2.13 Posisi Urutan Gerak Motor DC Brushless 3 Fase
Begitu seterusnya,dengan mengulang proses pensaklaran sesuai urutan seperti terlihat pada gambar tersebut maka rotor permanent magnet akan berputar terus menerus. Kekuatan medan magnet menentukan kekuatan motor dan kecepatan motor. Dengan memvariasikan aliran arus melalui kumparan stator, kecepatan dan torsi motor dapat disesuaikan.Cara yang umum untuk mengontrol aliran arus adalah dengan mengontrol aliran arus rata-rata melalui kumparan dengan PWM (Pulse Width Modulation) yang mengatur tegangan rata-rata dan meningkatkan kecepatan.
2.5 Penelitian Sebelumnya
Penelitian mengenai BLDC Motor sudah banyak dilakukan, perkembangannya dilakukan baru-baru ini. Agar penelitian ini tidak dimulai dari awal, maka diperlukan studi literatur perkembangan BLDC Motor saat ini. Berikut beberapa referensi yang dapat dijadikan acuan dalam penelitian ini :
2.5.1 Hudha Rencana, Rancang Bangun dan Uji Performa Axial coreless BLDC motor.
10 Gambar 2.14 Stator dan Rotor Axial coreless Brushless yang diassembly
1 BAB III
METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Umum
Perancangan dan pembuatan Axial Brushless DC Motor membuat rancangan eksperimen terlebih dahulu. Rancangan eksperimen nantinya dilakukan suatu pengujian yang bertujuan untuk mendapatkan variabel-variabel input dari proses atau sistem sehingga didapatkan output yang optimal. Rancangan eksperimen dari penelitian ini dapat dilihat pada Diagram Alir berikut:
START
Data Desain
Axial Brushless DC Motor 2000W
20pole , 24 core stator
2 Gambar 3.1 Flowchart Perancangan, pembuatan dan
pengujian Axial Brushless DC Motor Manufacturing Part
Assembly Process
Unjuk kerja
Evaluasi dan modifikasi
Axial Brushless Motor
2000W, efisiensi 90%
STOP A
pengujian
3 3.2. Peralatan Penelitian
Pada penelitian yang dilakukan, peralatan uji yang dipergunakan adalah sebagai berikut:
3.3 Perancangan Axial Brushless DC Motor
Rancangan Axial Brushless DC Motor secara detail dari masing-masing tahapan sebagai berikut :
3.3.1 Basic Study Literature
Study literature merupakan penelusuran literatur yang bersumber dari buku, media, pakar ataupun dari hasil penelitian orang lain yang bertujuan sebagai dasar dan teori yang digunakan dalam melakukan perancangan.
3.3.2 Motor Design
Desain Axial Brushless DC Motor dua aspek yang jadi pertimbangan, yaitu dari segi mechanical konstruksinya dan sinkronisasi terhadap kontrolnya.
3.3.2.1Mechanical Design
Perancangan konstruksi Axial Brushless DC Motor dengan stator tunggal dan rotor dua di desain dengan sesuai dengan dimensi hub motor yang ada dipasaran agar lebih mudah aplikasinya.
4 Rasio optimum radius luar magnet terhadap radius dalam magnet adalah √3, maka didapatkan persamaan torsi output sebagai berikut:
dimana:
• P =Daya output Axial Brushless DC • T = Torsi output Axial Brushless DC
• =Jumlah fase
• = Jumlah kutub
• = Jumlah slot / kutub / fase
• =koefisien untuk lilitan
• = kerapatan fluks pada airgap
• =arus terpakai
• =radius magnet bagian luar
• = radius magnet bagian dalam
5 Gambar 3.2 Gambar Perancangan dan Ukuran dasar Axial BLDC Motor .
6
Gambar 3.4 Gambar Perancangan dan Ukuran dasar Rotor Axial BLDC Motor.
3.3.2.2Synchronization control
Sinkronisasi terhadap kontroler yang umum ada dipasaran membutuhkan pembacaan hall efek sensornya agar posisi sensor dapat diprediksi, dan urutan komutasi tiap fase harus diketahui cara kerjanya agar motor dapat beroperasi secara optimal selaras dengan segala jenis control yang umum di pasaran.
3.4 Pengujian Efisiensi Axial Brushless DC Motor
Pengujian untuk memperoleh daya maksimum motor listrik pada tiap variasi rpm 600, 800, 1000, dan 1200. Pengujian motor listrik dilakukan dengan jalan pemasangan Joulemeter untuk mengetahui berapa konsumsi daya listriknya dan menggunakan Dynotest untuk mengetahui nilai output daya yang didapatkan dan dengan demikian didapatkan nilai efisiensi Axial Brushless DC Motor ini.
3.4.1. Pengujian Unjuk Kerja Mesin
Tahapan-tahapan pengujian yang dilakukan adalah : 1. Persiapan Pengujian
1) Menaikkan motor listrik di atas mesin dynotest .
2) Memposisikan dan mengkunci motor listrik untuk kondisi pengujian. 3) Menyalakan komputer yang tersambung dengan dynotest.
7 Gambar 3.5 Skema Pengujian
2. Pengujian
• Mulai memakai roller dan mengaturbukaan throttle sampai mendapatkan yang rpm diinginkan.
• Pada setiap putaran motor listrikyang sudah stabil dilakukan pencatatan data pada Dynotest sebagai berikut :
1. Putaran poros (rpm). 2. Torsi.
3. Daya.
3. Akhir Pengujian
• Putaran motor diturunkan perlahan sampai putaran 0 rpm. • Power motor dimatikan
4. Perhitungan Performa Axial Brushless DC Motor Efisiensi motor dihitung dengan persamaan :
dimana:
8 Keterangan:
• Pin : daya input (watt) • Pout : daya output (watt) • V : tegangan masuk (volt) • I : arus terpakai (ampere) • T : waktu (sekon)
• Tl : torsi yang dihasilkan (Nm) • ω :kecepatansudut(rad/s)
3.5 Analisa dan Kesimpulan
1
BAB IV
RANCANG BANGUN DAN ANALISA DATA UNJUK KERJA
AXIAL BRUSHLESS DIRECT CURENT (DC) MOTOR
4.1. Penentuan Spesifikasi Motor
Untuk merancang sebuah motor Axial Brushless DC Motor, langkah pertama yang dilakukan adalah menentukan parameter unjuk kerja motor sebagai target yang ingin dicapai. Berikut parameter motor yang akan dibuat :
• Daya = 2000 watt
• Tegangan operasional = 100 Volt
• Jumlah phasa = 3
• Faktor daya = 0,966
• Efisiensi (Target) = 0,9
• Torsi = 7 Nm di rpm 1900
• Daya Output = 1800 watt di rpm 1900
Dari data di atas kita bisa menentukan spesifikasi pendukung, baik secara mekanik maupun elektrik.
4.1.1 Perhitungan Kebutuhan Arus
Berdasarkan teori kelistrikan kenaikan daya beban motor akan sebanding dengan kenaikan arus listrik. Nilai faktor daya (cosθ) yaitu 0,966 berdasarkan tabel
Combination Of Numbers Slot And Pole With Balanced Concentration Winding.
Nilai efisiensi η ditentukan dengan nilai 0,9. Sehingga arus yang dibutuhkan jika dihubungkan dengan konfigurasi bintang dapat dihitung.
Tabel 1 Combination Of Numbers Slot And Pole With Balanced Concentration Winding
2 Apabila sudah diketahui arus yang dihitung mengalir ke stator maka kita bisa menentukan ukuran kawat tembaga yang akan digunakan dalam belitan stator. Untuk arus 23A digunakan kawat berlaminasi standart American Wire Gauge (AWG) yaitu kawat tembaga berlaminasi dengan ukuran diameter 1 mm.
Tabel 2 Kemampuan Hantar Arus (Igus Chainflex)
No
4.1.2 Awal Dimensi motor
Dalam rancang bangun sebuah motor listrik harus dihitung dimensi/ukuran dari beberapa bagian motor sebagai acuan untuk perhitungan selanjutnya. Gambar di bawah ini menunjukan penampang stator ataupun rotor dari Axial Flux Induction
Motor . Parameter utama yang harus kita tentukan adalah luas permukaan efektif
dari motor yang menghasilkan gaya/torsi, yaitu permukaan di antara diameter Dse dan De.
Gambar 4.1.Penampang Axial Flux Permanent Magnet Brushless DC Motor
3 dihasilkan optimal adalah 0,58. Rasio perbandingan ini disebut dengan Kd. Sebagai awal acuan ukuran harus ditentukan salah satu antara Ds atau Dse.Untuk membatasi luas permukaan maka ditentukan diameter terluar (Dse) adalah 15,6 cm atau 0,156m. Dengan demikian nilai Ds bisa kita dapatkan dari
Kd = Ds/Dse = 0.58 Ds = 0.58 x 0.156 = 0.09048 m
Maka dapatkan :
• Rin ( jari jari dalam) = 0.5 x 0.09048 = 0.045 m • Rout (jari jari luar) = 0,5 x 0.156 = 0.078 m • Panjang core (le) = 0,078 - 0,09048 = 0.033 m
4.2 Proses Pembuatan Motor 4.2.1 Proses Desain
Setelah spesifikasi motor Axial Brushless DC Motor didapatkan maka dilanjutkan dengan proses desain dengan software drawing. Berikut ini gambar susunan desain motor listrik axial flux.
4 Gambar 4.3 Gambar Part Bagian Stator Motor
Gambar 4.4 Gambar Part Casing dan Pattern Magnet Rotor
4.2.2 Pembuatan stator
5 gambar melalui software maka mesin akan beroperasi secara otomatis untuk bentuk yang diharapkan.
Selanjutanya adalah pembuatan armature core. Armature core dibuat dari serbuk besi murni dengan kadar Fe 99% yang dicampur dengan resin carbon fiber sebagai boundingnya. Campuran serbuk besi dan resin ini menggunakan kadar resin sebesar 14% dari total berat campuran serbuk besi dan epoxy untuk komposit karbon. Setelah itu campuran serbuk besi dan epoxy untuk komposit karbon di cetak dengan cetakan yang terbuat dari akrilik yang telah di laser cutting. Setelah cetakan sudah terisi campuran serbuk Fe dan resin carbon fiber diamkan selama 24 jam sampai mengeras secara sempurna. Dari berbagai campuran serbuk fe dan epoxy untuk komposit karbon yang telah diuji menggunakan Gaussmeter diperoleh hasil seperti pada tabel 3. Kuat medan magnet terbesar terdapat pada campuran dengan kadar resin 14% yaitu sebesar 36 gauss.
Tabel.3 pengaruh kadar resin pada core terhadap kuat medan magnet
Kadar B
6 Tahapan selanjutnya adalah pembuatan kumparan. Dengan menggunakan alat sederhana, dibuat kumparan dengan jumlah lilitan yang sama dan geometri yang seidentik mungkin. Lalu pasang kumparan pada core yang sudah jadi.
Jumlah lilitan dapat dihitung berdasarkan berapa kuat medan magnet yang akan dihasilkan oleh armature core. Dengan menentukan target torsi akan mendapatkan informasi untuk menghitung kuat medan magnet yang harus dihasilkan oleh armature core. Setelah mendapatkan kuat medan magnet maka dapat dihitung jumalah lilitan minimum. Seperti persamaan di bawah
Data awal:
• Torsi target = 5 Nm
• r berdasarkan central of gravity = 0,0475 m • µ˳ = 2 x 10-4
• B saat I max = 2,5 T • m2 = 3,26
• k = 10-7
Berdasarkan data diatas maka gaya tolak menolak pada saat motor berputar adalah F = T/r
= 5/0,0475 = 105 N
Selanjutnya gaya tolak menolak pada tiap slot dapat dihitung sebagai berikut F tiap slot = F/16
= 105/16 = 6,56 N
Setelah gaya tolak menolak didapat, kuat kutub medan magnet dan gaya lorentz yang dihasilkan pada tiap slot stator dapat dihitung
m1 = Ftiap slot . r²/k.m2
Dengan mengetahui gaya lorentz yang dihasilkan maka dapat menghitung kuat medan magnet yang dihasilkan tiap slot stator dan dapat dihitung jumlah lilitan minimum yang harus dipakai
7 Gambar 4.6 Alat Untuk Menggulung Kumparan dan Kumparan dengan Armature
Gambar 4.7 Stator Axial Brushless DC Motor dan Kumparan
Proses pemasangan kumparan pada stator diakhiri dengan penggunaan epoxy resin untuk menempelkan kumparan secara permanen pada stator.
4.2.3 Pembuatan rotor
Proses pembuatan rotor tidak jauh berbeda dengan stator yaitu menggunakan laser cutting CNC atau Computerized Numeric Control untuk patternnya, dan casing rotor terbuat dari bahan besi. Proses terakhir pembuatan rotor adalah menempelkan magnet pada rumah magnet dengan menggunakan lem. Setelah kedua komponen utama (stator dan rotor) telah selesai dibuat maka bisa dilakukan proses assembly.
4.2.4 Proses Assembly
Proses assembly adalah proses terakhir pada rancang bangun Axial Brushless
DC Motor. Pada proses assembly yang terpenting adalah pemasangan sensor hall
8 Gambar 4.8phase commutation dengan picoscope dan Axial Brushless DC Motor
yang telah diassembly
4.3 Perhitungan Unjuk Kerja Axial Brushless DC Motor 4.3.1 Data Unjuk Kerja Axial Brushless DC Motor
Dari hasil pengujian Axial Brushless DC Motor yang dirancang, didapatkan hasil daya konsumsi input dan daya yang dibangkitkan dari output generator didapatkan data sampling sebagai berikut:
9 Tabel 5 pengujian Axial Brushless DC Motor dengan controller IQUTECHE.
Beban I out V out I in V in rpm
4.3.2 Perhitungan Unjuk Kerja Axial Bushless DC Motor
Tujuan dari perhitungan yang dilakukan ini adalah untuk mengetahui besar nilai dari setiap unjuk kerja motor listrik Axial Brushless DC Motor yang telah dirancang dan dibuat sehingga diketahui nilai daya, torsi, dan efisiensi pada keluaran beban tertentu. Contoh perhitungan unjuk kerja Axial Brushless DC
Motor ini diambil data diperoleh pada putaran motor adalah 2370 rpm dengan data
awal seperti berikut:
A. Daya motor
Konsumsi daya pada motor listrik dapat didapatkan langsung dari besarnya arus yang terpakai pada tegangan baterai. sehingga dapat dirumuskan:
P input = V input.I input
= 100V x 23 A
= 2300 watt
10 %. Efisiensi dari generator sebagai pembangkit daya dan variable daya diambil dari grafik effisiensi generator.
Gambar 4.9 Grafik efisiensi generator
(General Generator)
Gambar 4.10 generator STC-3
(General Generator)
Generator yang digunakan adalah STC-3 dibuat oleh china. Dengan spesifikasi output rata-rata 3 kW, 3 fasa generator, output voltage 230v. Dari grafik efisiensi pada generator 230 volt memiliki efisiensi 60% dan bekerja bekerja pada rpm minimal 1500 rpm
P out generator= (P out effektif . Eff generator) . Eff mechanical . Eff electrical
P out effektif = (V out . I out . √3) / (Eff generator . Eff mechanical . Eff mechanical)
11 B. Torsi
Dari hasil pengujian didapatkan nilai torsi pada saat putaran motor listrik sebesar 2370 rpm adalah 5,1 Nm berdasarkan daya yang di keluarkan oleh motor listrik.
Data awal :
• Daya Motor P in= Vin . I in
• System transmisi single ratio (1:1)
• Putaran Motor 2370 rpm
Diperoleh dari perhitungan dasar:
P = τ ω τ = P/ ω
= 1265,3 x 60/(2 x 3,14 x 2370) = 5,1 Nm
C. Efisiensi Motor
Unjuk kerja motor listrik dapat dilihat pengunaan daya input oleh motor listrik untuk membangkitkan daya output pada generator. Sebagai contoh perhitungan didapatkan data-data sebagai berikut.
Data yang diperoleh: • P input = 1380 watt
• P output efektif=1265,3 watt
Eff Generator = (P output effektif/P input) x 100% = (1265,3 watt/1380 watt) x 100 % = 91,7 %
4.4 Analisa Unjuk Kerja Axial Brushless DC Motor
Dari hasil pengujian didapatkan data daya konsumsi input maupun daya output dari generator terhadap pemberian beban sehingga didapatkan beberapa variabel yang berpengaruh pada effisiensi putaran motor listrik untuk perancangan Axial Brushless DC Motor selanjutnya.
4.4.1.Analisa Daya
4.4.1.1.Analisa Daya konsumsi Input
12
Gambar 4.11 Grafik hubungan antara power input terhadap rpm motor pada controller Mitsuba dan controller Iquteche.
Gambar 4.11 menunjukkan bahwa daya yang dikonsumsi Axial Brushless DC
Motor pasti akan menurun seiring bertambahnya rpm pada motor listrik tersebut.
Hal itu dikarenakan rpm motor listrik bertambah seiring berkurangnya beban yang diberikan pada motor listrik. Pada gambar diatas dapat dilihat dengan menggunakan controller yang berbeda didapatkan tren grafik yang serupa yaitu daya yang dikonsumsi Axial Brushless DC motor akan menurun seiring bertambahnya rpm.
Dari grafik diatas dengan menggunakan controller Mitsuba power input tertinggi sebesar 999,6 watt pada rpm 1860, sedangkan dengan controller Iquteche power input tertinggi sebesar 1886 watt pada rpm 1900.
4.4.1.2.Analisa Daya Output Efektif Motor Listrik
Daya yang dibangkitkan oleh generator akibat kerja motor listrik pada tiap variable beban dapat mempresentasikan kinerja motor listrik yang didesain. Sebagaimana motor listrik generator juga memiliki effisiensi pada tiap putarannya. Daya output generator sebanarnya merupakan hasil dari daya output efektif Axial
Brushless DC Motor yang dikali efisiensi generator dikali efisiensi elektrikal dan
dikali efisiensi mekanis alat pengujian. Sebagaimana sebelumnya:
P out generator = (P out Effektif . Eff Generator) . Eff Mechanical . Eff Electrical
13
Gambar 4.12 Grafik hubungan antara power output terhadap rpm motor pada controller Mitsuba dan controller Iquteche.
Gambar 4.12 menunjukkan bahwa daya yang dihasilkan Axial Brushless DC Motor pasti akan menurun seiring bertambahnya rpm pada motor listrik tersebut. Hal itu dikarenakan rpm motor listrik bertambah seiring berkurangnya beban yang diberikan pada motor listrik. Pada gambar diatas dapat dilihat dengan menggunakan controller yang berbeda didapatkan tren grafik yang serupa yaitu daya yang dihasilkan Axial Brushless DC motor akan menurun seiring bertambahnya rpm.
Dari grafik diatas dengan menggunakan controller Mitsuba power input tertinggi sebesar 825,8 watt pada rpm 1860, sedangkan dengan controller Iquteche power input tertinggi sebesar 1576,5 watt pada rpm 1900.
4.4.2 Analisa Torsi (T)
Torsi merupakan ukuran kemampuan dari mesin untuk menghasilkan kerja. Dalam prakteknya torsi dari mesin berguna untuk mengatasi hambatan sewaktu kendaraan terperosok atau untuk mempercepat laju kendaraan. Perancangan Axial Brushless DC Motor menghasilkan torsi dari hasil perumusan dasar motor listrik sebagaimana:
P = τ ω τ = P/ ω
14
Gambar 4.13 Grafik hubungan antara torsi terhadap rpm motor pada controller Mitsuba dan controller Iquteche.
Pada grafik torsi Axial Brushless DC Motor menunjukkan bahwa torsi yang dihasilkan akan menurun seiring bertambahnya rpm pada motor listrik tersebut. Hal ini dikarenakan rpm dapa motor listrik bertambah seiring berkurangnya beban yang diterima Axial Brushless DC Motor tersebut. Pada gambar diatas dengan menggunakan 2 controller yang berbeda didapatkan tren grafik yang serupa, yaitu torsi akan menurun seiring bertambahnya rpm. Dari pengujian performa Axial Brushless DC Motor didapatkan torsi maksimal sebesar 7,9 Nm pada rpm 1900 dengan menggunakan controller Iquteche dan 4,4 Nm pada rpm 1860 dengan menggunakan controller Mitsuba.
4.4.3 Efisiensi Motor Listrik
15
Gambar 4.14 grafik hubungan antara efisiensi terhadap rpm pada controller Mitsuba dan controller Iquteche
Pada Axial Brushless DC Motor dengan menggunakan 2 controller yang berbeda memiliki tren grafik yang sama, yaitu meningkat mulai dari rpm rendah hingga titik optimum, kemudian akan turun seiring bertambahnya rpm. Hal itu menunjukkan bahwa Axial Brushless DC Motor memiliki karakteristik effisiensi yang baik pada rpm dan beban tertentu, namun pasti turun ketika rpm Axial Brushless DC Motor bertambah. Pada pengujian ini yang menggunakan 2 controller yang berbeda memiliki karakter effisiensi yang sama.
69 DAFTAR PUSTAKA
Yedamale,Padmaraja.2003. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals. Microchip Technology Inc Hendershot, James R.1986. Brushless DC Motor Phase, Pole, and Slot Configurations.
Hopper,Ian.2011. Development of in-wheel motor system for formula SAE electric vehicle.
Fitzgerald A.E., Kingsley C. Jr., Umans S. D.1988. Electric Machinery,McGraw-Hill.
Şahin F.2001. Design and Development of a High Speed
Axial Flux Permanent Magnet Machine, PhD Thesis TechnischeUniversiteit Eindhoven.
1
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dalam Tugas Akhir yang dikerjakan ini dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Berhasil mendesain dan membuat Axial Brushless Direct Current
Motor dengan konstruksi satu stator dan dua rotor yang memiliki
jumlah core stator sebanyak 24 dan dan magnet sebanyak 20 pole pada tiap rotornya.
2. Berhasil mendesain dan merancang bangun Axial Brushless Direct
Current Motor yang memiliki effisiensi maksimum sebesar 95,1%
pada rpm 2790 seperti yang ditunjukan pada grafik dibawah ini.
Gambar 5.1 grafik hubungan antara efisiensi terhadap rpm pada controller Iquteche
2 3. Performa Axial Brushless Direct Current Motor berdasarkan grafik
dibawah ini memiliki daya output rated sebesar 1100watt pada rpm 2790.
Gambar 5.2 grafik hubungan antara power output terhadap rpm pada controller Iquteche
4. Performa Axial Brushless Direct Current Motor berdasarkan grafik power output terhadap rpm dibawah ini dapat ditarik garis trendline linier, sehingga dapat diketahui Axial Brushless Direct Current Motor mampu menghasilkan daya output sebesar 2000 Watt.
Gambar 5.3 trendline grafik hubungan antara power output terhadap rpm
3 5. Performa dari Axial Brushless direct Current Motor berdasarkan
grafik dibawah ini memiliki torsi rated sebesar 3,8 Nm pada rpm 2790.
Gambar 5.4 grafik hubungan antara torsi terhadap rpm pada controller Iquteche
5.2 Saran
Untuk penelitian selanjutnya, disarankan memberi mekanisme pendinginan pada motor listrik agar tetap bekerja secara efektif dan optimal dan disarankan menggunakan alat uji dengan kualitas terbaik untuk mendapatkan hasil pengujian yang lebih akurat.
